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【推荐新书】化工计算导论（第2版）朱开宏老师翻译
本书以状态方程、气液平衡、化学反应平衡、传质设备模拟、化学反应器设计和动量、热量、质量传递过程等化工计算问题为经，以Ｅｘｃｅｌ、ＭＡＴＬＡＢ、ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ和ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ四种数值计算或流程模拟软件为纬，阐述了化工计算的最新发展。本书可帮助读者了解国外化工计算的现状，学习应用先进的数值计算或流程模拟软件，以解决各种化工数值计算问题，提高计算能力和分析、解决实际化学工程问题的能力。本书可作为化学工程及相关专业本科生、研究生“化工数值计算”等课程的教材或参考书，也可供从事化工过程研究、开发、设计和生产的工程技术人员参考。
化学工程专业的学生和化学工程师需要去求解复杂性日益增加的问题，这些问题包括炼油厂、燃料电池、微型反应器和制药厂的各种应用问题。多年以前，学生编写自己的程序，最早是用ＦＯＲＴＲＡＮ编程语言，然后是用ＭＡＴＬＡＢ之类的数值计算语言。但是，随着个人计算机的发展，已经为学生编写了求解许多问题的软件，学生只要正确应用这些程序就可以了。于是，教学重点由对编写他们自己的程序感兴趣的少数人转向大批将使用这些程序，但不必亲自编写的学生。我在华盛顿大学４２年的教学生涯中，曾指导过一些学生小组如何运用数值分析方法解决复杂问题。现在，我则在教所有学生如何聪明地利用计算机。我教的学生中只有少数人对数值分析有兴趣（令我伤心！），但所有学生都知道他们必须能够解决困难的问题，以及他们需要利用计算机完成此任务。
本书的目的是阐明：（ａ）化学工程师必须解决的问题；（ｂ）用于解决这些问题的计算机程序的类型；（ｃ）工程师如何检查计算结果并确保他们已正确地解决了这些问题。将在当代学生的学习环境里完成下述任务———最低限度的阅读量、非常及时地学习和大量的计算机使用方法。本书演示的程序有Ｅｘｃｅｌ？、ＭＡＴＬＡＢ？、ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ？和ＣＯＭＳＯＬＭｕｌ?ｔｉｐｈｙｓｉｃｓ？。
编写本书时，我假定读者并不是完全的初学者。低年级和高年级化学工程专业的学生已具有应用如Ｅｘｃｅｌ之类的电子表格程序的经验，只要向他们提供指导和关键的概念和术语，他们能不费力地在计算机上学习。实际上，许多学生比他们的导师更熟悉计算机。但是，刚开始学习的化学工程学生可能不是非常清楚地了解应用问题，以及对隐藏于工程问题背后的物理现象缺乏深入的理解。而且，他们可能没有解决过非常困难的问题。于是，重要的是对学生为什么需要求解这些问题提供某些解释，以及当这些问题面临数值方法的重压时如何克服困难。我对我自己的经验作了总结，并对本书中的问题给予了透彻的说明。
我的教学思想是：工程师今天正在解决的问题通常是解析方法无能为力的，但他们可用今天能获得的功能强大的软件解决。于是，每个工程师将要解决无人知道答案的问题，而保证以书面形式或在计算机上正确表述问题，并正确地求解它们，正是工程师的职责。工科学生必须懂得如何通过检查计算机完成的工作来确定计算机是否正确地解决了问题。如果他们能做到这一点，他们就能令导师或将来的老板相信他们已获得了与解析解一样可靠的答案，虽然并未获得解析解，而且对某些问题也不可能用解析方法求解。事实上，本书中９８％的问题是非线性的，它们中只有极少数有解析解。
在教学中如何应用本书
本书来源于我在华盛顿大学开设的课程，第一次开课是在２００３年。该课程由讲座和在计算机实验室中亲自实践的计算机作业两部分组成。我通常会提供一些简单的习题，让学生在计算机实验室中求解，并向学生提供帮助，使他们能克服运用不熟悉的程序时所面临的困难。但随后学生必须求解一个能扩展他们的化学工程知识的问题，以证明他们能正确地使用该程序（并陈述他们所做的核查）。因为这些应用涵盖了许多化学工程领域，我对学生开玩笑说：“我在２０个小时内就教了你们整个化学工程领域。”虽然，我已在２００９年退休，不再教授这门课程，但相同的教学目标依然保持着。
本书也可用于其他一些课程，因为每一章都适合于教学计划中的一门课程。例如，在热力学课程里讲授了化学反应平衡，教师可在计算机实验室练习时间内利用本书有关化学反应平衡的章节教授计算机的应用。热力学模型选择（和比较）方面的材料也能增加对热力学课程的实际认识。其他章节则可用于其他课程。用这种方法，学生将在整个学习过程中一门课接一门课地使用本书：质量和能量衡算，热量、质量和动量传递，反应器设计；而有些课程将把注意力放在各种课题上，例如生物医学工程。当然，希望学生能将注意力集中在化学工程原理上，而将计算机作为工具。
本书讲述了四种程序的特色。你的学校可能不会全部使用这四种程序。虽然屏幕图像可能不同，但基本概念和程序是相同的。当然有些问题可用其他程序求解。在某种工作环境里，工程师们也将使用公司提供的程序。于是，工程师们可能使用功能不太强大的程序，因为他们只能获得这种程序。功能更强大的程序还可能要花费更多钱。于是，在有些章节内采用了不同的程序来求解相同的问题，这可让学生直接了解为了解决复杂问题，比较通用的程序需要显著增加编程工作。按我的经验，提供一组程序后，学生将会采用能使他们尽快地求解他们的问题的程序。程序ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ提供了许多模块。几乎本书中的所有问题均可用基本模块求解，虽然也有些案例，化学反应工程模块是有用的。与ＭＡＴＬＡＢ的链接可以用ＭＡＴＬＡＢ的ＬｉｖｅＬｉｎｋＴＭ及其他模块实现。只有几个涉及湍流的问题，这些问题需要ＣＦＤ（计算流体力学）模块。你所能获得的各种组合的完整清单可从ＣＯＭＳＯＬ得到，也可从本书网站获得我的清单（见附录Ｄ）。
每章均以教学目标清单开始。此外，本书网站中有从化学工程观点和计算机技术观点出发，可由每个问题学到的原理的清单。我们鼓励采用本书的教授讨论在其他化学工程课程中的可能应用，使得更高深的问题能在他们的课程中求解。在本书网站中还可获得各种索引，因为学生更愿使用互联网，而不愿翻到本书最后查看主题索引；更重要的是他们可利用短语进行搜索和下载。
创新之处
与第一版相比，一个重大的变化是所有四个程序都有了与２００５年时不同的界面。更序言００３重要的是，它们都大大增强了功能。我已经缩减了某些解释，而推荐用户利用伴随程序的帮助菜单，因为这些菜单已获改进，它们提供的信息超过了本书所能提供的。但是，我提供了到哪儿去查阅的提示。
习题的数量几乎增加了一倍。更重要的是，增加的习题集中在能源领域：整体煤气化联合循环，包括低温空气分离、用柳枝稷制乙醇和变压吸附为燃料电池汽车制氢。在每个案例中，均在讨论之前先定义问题，使学生能了解其适用性。自２００５年以来，微流体力学已获得发展，也有些增加的习题是属于生物医学应用领域的。这导致更多的例题和习题涉及二维和三维空间的流体流动和扩散。一项重大的增添是在ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ７．３中作出的：现在在程序中已可直接存取美国国家标准及技术研究所（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｎｄ?ａｒｄａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）汇编的纯组分的压力体积温度实验数据和二元气液平衡实验数据。对化学工程师而言，这是非常重要的，因为热力学模型的选择通常必须伴随着与实验数据的比较，而现在这已变得非常容易，容易到不做这种比较将显得不专业。于是，本书的热力学部分包括了工业指南、某些分子水平的考虑和进行比较的实验数据。ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ还有能力非常方便地总结某个过程的温室效应。在有些教授的课程里，会有他们所作的关于如何利用ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司产品的讨论；请联系：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｐｒｏｇｒａｍ＠ａｓｐｅｎｔｅｃｈ．ｃｏｍ。Ｌｕｙｂｅｎ教授指出的一个事实是物料和能量衡算主要是基于物流的，而安全问题是基于压力（和动态）的。动态选项在本书不作详细讨论，通常它们包含在控制课程内。ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ在微软视窗下运行，但作者是在苹果计算机上用ＰａｒａｌｌｅｌｓＤｅｓｋｔｏｐｆｏｒＭａｃ在视窗下运行的。第二版中还有些例题是添加了简单的用户定义ＦＯＲＴＲＡＮ程序后运行ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的。
有些教授喜欢在他们的课程中采用更多数值编程，所以在有些章的结尾增加了一些这类习题。这些习题提供了很好的对比，先用数值编程求解，然后用本书重点讲述的四种程序之一求解，再比较哪种方法更简便。附录Ｅ提供了数值方法的更多细节。而这些程序使数值分析更易于使用，认识大多数习题涉及由连续变量到离散变量的近似处理也是重要的。本书中有些习题要求学生进行实际的数值分析（并与其他程序比较）。指导老师可能会说，“如果你不尝试对这些方法编程，你不能真正理解这个问题。”我指出如下事实作答：当医生描述核磁共振成像时，你不会说只有当他（她）向你说明机器内磁场如何工作，氢分子如何翻转方向，并描述图像如何形成时，你才会接受成像结果。医生和技术人员知道怎样去说明结果，怎样去检测机器是否在正常工作；工科学生也能做到这些。
习题数量已经加倍，它们被标记为容易的习题（下标１）和困难的习题（下标２）及适合作为课题的习题，这类习题可由一个学生或一个小组完成。最后，ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ中有更多技巧做了说明。
在本书的网站上，没有提供用于求解本书中例题的程序编码，因为作者相信你试图去重复本书的步骤时，你就是在进行学习。但是，在本书的网站上包含着求解某些习题所需的材料，例如用于求解三维流动／扩散问题的几何形状。根据你的计算机的内存，以及能将多少内存分配给ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ，某些三维问题可能无法在你的计算机上求解。本书的网站是ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＣｈｅｍＥＣｏｍｐ．ｃｏｍ。
致谢
在写作本书时，我由衷地感谢我班上的学生。有时，学生教会我怎样使用先进的技术，而他们的问题又会导致最好的程序。在过去１０年间，有超过１００个本科研究生与我一起工作，他们的工作结果可在我的网站ｈｔｔｐ：／／ｆａｃｕｌｔｙ．ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．ｅｄｕ／ｆｉｎｌａｙｓｏ和ｈｔ?ｔｐ：／／ｃｏｕｒｓｅｓ．ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．ｅｄｕ／ｍｉｃｒｏｆｌｏ上得到。化工系为本书的编写提供了激励津贴，该津贴由校友ＭａｕｒｉｃｅＲｉｃｈｆｏｒｄ（１９２６年学士）的纪念基金提供。没有这笔津贴，本书的第一版无法完成，当然也不可能进行修改。我的女儿ＣｈｒｉｓｔｉｎｅＦｉｎｌａｙｓｏｎ作为第一版的技术编辑大大改善了我的书面文件，由于她的努力使文本更为清晰；依然存在的混乱之处则是我的责任。我特别感谢特拉华大学的ＳｔａｎｌｅｙＳａｎｄｌｅｒ教授，因为他评阅了热力学方面的修改处理，这次我学到了很多！Ｃｏｍｓｏｌ公司和ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司的同仁提供了许多帮助，因为在过去几年中ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ和ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ都做了改进。我尤其感谢我的夫人Ｐａｔ，因这一编著比原计划花费了更多时间。她始终支持我，为使我能完成这本书作出了许多牺牲。在我重写此书时，抽出几个星期庆祝我们结婚５０周年，我做得真是太棒了！
ＢｒｕｃｅＦｉｎｌａｙｓｏｎ
２０１１年１０月于西雅图_
目录
译者的话
序言
1 绪论
1.1 本书结构
1.1.1 代数方程组
1.1.2 过程模拟
1.1.3 微分方程组
1.1.4 附录
2 状态方程
2.1 状态方程——数学公式描述
2.2 用Excel求解状态方程（含一个未知数的单个方程）
2.2.1 用“单变量求解”求解
2.2.2 用“规划求解”求解
2.2.3 用“单变量求解”求解化学工程问题的实例
2.3 用MATLAB求解状态方程（含一个未知数的单个方程）
2.3.1 用MATLAB求解化学工程问题的实例
2.3.2 用MATLAB求解化学工程问题的另一个实例
2.4 用AspenPlus处理状态方程
2.4.1 应用AspenPlus的实例
2.4.2 混合物的摩尔体积
2.5 本章小结
2.6 习题
3 气液平衡
3.1 闪蒸和相分离
3.2 等温闪蒸——方程的推导
3.2.1 应用Excel的实例
3.3 热力学参数
3.3.1 应用MATLAB的实例
3.3.2 用AspenPlus的实例
3.4 非理想液体-热力学模型的检验
3.5 AspenPlus中的NIST热力学数据引擎
3.6 本章小结
3.7 习题
4 化学反应平衡
4.1 化学平衡表达式
4.1.1 用于燃料电池的氢的实例
4.1.2 用Excel求解
4.1.3 用MATLAB求解
4.2 含两个或多个方程的化学反应平衡
4.2.1 用MATLAB求解多个方程，几个未知数
4.2.2 用AspenPlus求解化学反应平衡
4.3 本章小结
4.4 习题
5 含循环物流的物料衡算
5.1 数学公式描述
5.2 不含循环的实例
5.3 含循环的实例：序贯求解法和联立求解法的比较
5.4 用Excel求解简单物料衡算的过程模拟实例
5.5 用AspenPlus求解简单物料衡算的过程模拟实例
5.6 用Excel求解包含化学反应平衡的过程模拟实例
5.6.1 迭代是否收敛？
5.6.2 扩充
5.7 本章小结
5.8 课堂练习
5.9 课堂讨论（先浏览本书网站上的习题510）
5.10 习题
6 热力学和传质设备模拟
6.1 热力学
6.1.1 选择的指导原则
6.1.2 物性方法选择助手
6.1.3 热力学模型
6.2 实例：采用简捷法的多组分精馏
6.3 采用严格逐板法的多组分精馏
6.4 实例：填料塔吸收
6.5 实例：气体工厂产物分离
6.6 实例：附带灵敏度模块和设计规定模块的水煤气变换平衡反应器
6.7 本章小结
6.8 课堂练习
……
7 过程模拟
8 化学反应器
9 一维传递过程
10 二维和三维流体流动
11 二维和三维传热和传质
附录A 应用Excel的提示
附录B 应用MATLAB的提示
附录C 应用Aspen Plus的提示
附录D 应用COMSOL Multiphysics的提示
附录E 数学方法
参考文献
主题索引
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发表于 2014-11-16 14:58:38
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